一個與經典過程幾乎相同的量子過程

量子相干

1998年,一組研究人員使用單分子首次進行了簡單的量子計算。當時,他們用無線電波脈衝來翻轉一個分子中的兩個核子的自旋,它們的自旋要麼向「上」,要麼向「下」,這種儲存資訊的方式就和經典資料位中以「0」或「1」的狀態儲存資訊一樣。

對於早期的量子計算機來說,兩個核子的結合態(分子的量子態)只能短暫地維持在特定的環境中,整個系統會很快就失去其相干性。對量子相干的控制,始終是建造量子計算機的關鍵,也是其中極為困難的一步。一直以來,許多物理學家團隊都在試圖發展新的途徑來創建和保護量子相干。

2018年,為了推進這方面的研究進展,加州大學柏克萊分校的物理學教授Joel Moore創建了一個名為NPQC(材料量子相干新途徑中心)的研究中心,他希望能夠更快地在些問題上取得突破。他們有三個主要的研究重點,包括開發新的量子傳感平臺,設計能夠承載複雜量子態的二維材料,並探索能夠通過量子過程對材料的電子和磁性進行精確操控的方法。

自旋缺陷

目前,NPQC的許多研究成果都集中在一些基於自旋缺陷(spin defect)所創立的量子平臺。自旋缺陷是材料結構中的一種特定缺陷,在正確的情況下,這些自旋缺陷可以接近完美的量子相干,從而可被用於創建高精度的傳感平臺。每個自旋缺陷對環境中極其微小的波動都有響應,這些缺陷的集合可以達到前所未有的精度。

但是,要在一個有著許多自旋,且所有自旋都在相互作用的系統中理解相干性的演化,是一件非常困難的事。為了應對這一挑戰,NPQC的研究人員將目光投向了鑽石——這是一種可被用於量子傳感的理想材料。

在自然界中,鑽石晶體結構中的每個碳原子都與其他四個碳原子相連,當其中一個碳原子被另一個完全不同的原子所取代時,由此產生的缺陷有時就會表現得像一個有著定義良好的自旋的原子系統。鑽石中的這些缺陷就像一些粒子一樣,可以「自旋向上」,或者「自旋向下」。

在一項新的研究中,物理學家Norman Yao等人通過向鑽石晶格中植入多個不同的自旋缺陷,創建了一個三維繫統,在這個系統中,自旋分散在整個體積中。通過運用一系列測量技術,他們發現自旋在量子力學系統中的運動方式,幾乎與染料在液體中的運動方式相同

他們將新的發現發表在《自然》上,並提出,染料的擴散為理解量子相干提供了一條新的成功路徑。

菲克定律

一直以來,描述物質在量子力學層面上的行為都是非常困難的,因為一旦系統中所涉及的粒子數變得多起來,與之相關的方程就變得很難求解。這就類似於,在經典物理學中,要計算染料顆粒在一杯水中的精確軌跡同樣不容易,這種難度主要來自這些顆粒會被水分子以各種方式撞擊。但實際上在描述這類運動時,科學家並不需要真的追蹤每一個分子。根據菲克擴散定律,物質的流動與它的濃度梯度成正比。

菲克定理是顆粒度(coarse grain)的一個例子,顆粒度這一概念常用於流體力學,比如說,流體可被視為是許許多多的小「包裹」的集合,每個「包裹」中含有許許多多個分子,這些分子會相互摩擦移動。在新研究中,Moore與Yao等人正試圖用這種方法來描述量子多粒子系統。

Moore說,流體動力學通常研究的是一個系統如何從局部平衡過渡到整體平衡。流體力學方程假設,任何關於初始狀態的詳細資訊,比如粒子在哪裡以及它們如何運動,都會在它們一旦與其他粒子經歷幾次相互作用後就很快喪失。接著,流體方程便可以非常精確地描述更長時間尺度上(從微秒到年)的一切。

在一個鑽石立方體中,中心有一個具有過量自旋的「包裹」像液體中的染料一樣擴散開來。| 圖片來源:Berkeley Lab

他們分析了一個含有兩種自旋的微小鑽石晶體,這兩種自旋都是由碳晶格中具有缺陷的未配對電子產生的。一種缺陷被稱為P1中心,它是由一個氮原子取代了一個碳原子組成;另一種缺陷叫作NV缺陷,它由晶格中的一個空穴和旁邊的氮替代組成。這些自旋可以在原子相隔甚遠的距離內「感知」彼此。

在鑽石形成過程中,用一個氮原子(黃球N)替換一個碳原子(綠球),並讓另一個原子留下一個空穴(紫色V),就會產生一個常見的具有明確自旋特性的缺陷。| 圖片來源:NIST

為了理解自旋會如何演化,研究人員利用NV缺陷來建立擾動和探測響應,他們用鐳射脈衝來使這種自旋在一個區域極化,然後利用磁場將這些自旋與P1自旋耦合,形成共振。接著,他們監測了這種擾動會如何在P1自旋中傳播。

Yao介紹說,他們原本期待,這個過程可以用薛丁格方程來描述,但測量結果表明, 如果只是以稍微粗粒度的解析度來測量自旋密度,那麼描述整個動力學的微分方程可以比薛丁格方程簡單得多——它可以更像擴散方程。換句話說,這個量子過程與經典過程的動力學基本相同

不完美契合

然而,自旋的行為並不能與擴散過程完美契合。Moore解釋說,部分原因在於與碰撞的粒子不同的是,自旋可以在很遠的距離內感受到彼此;另外,還有一種可能是P1缺陷在晶格中可能並不完全相同,每個缺陷周圍的原子可能有輕微不同的局部排列,從而產生一些隨機無序

儘管如此,新的研究結果表明,在粗粒度的水平上,多體系統的動力學過程可能並不「在乎」支配它們的是量子物理學還是經典物理學,而是更多地依賴於粗粒度元件之間的一般相互作用,而不是它們的微觀細節。

有物理學家認為,這項實驗工作是一個令人驚歎的壯舉,它證明了這種不同於傳統擴散的流體力學機制,是理解量子物理所允許的不同動力學的關鍵一步。

#創作團隊:

編譯:小雨

#參考來源:

https://newscenter.lbl.gov/2021/10/12/team-unlocks-quantum-future/

https://physicsworld.com/a/evolution-of-quantum-spins-looks-surprisingly-classical/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03763-1

#圖片來源:

封面圖:Norman Yao / Berkeley Lab

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